CN114845432B - 一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法，先选取多种在受到相同电磁波入射后产生具有位相差出射波的电磁超材料；然后将不同电磁超材料进行拼接；再将组合电磁超材料置于微波腔内并使组合电磁超材料移动，同时记录微波腔内电磁功率密度分布的变化规律，选出电磁功率密度空间分布互补性好的组合电磁超材料的位置点；最后根据所选取位置点对应的腔内电磁功率密度强弱分布，设计组合电磁超材料的运动速度和停留时间。从而使得腔内平均电磁功率空间分布均匀性得到明显提高、被处理物料各部分吸收的平均微波功率大致相等，进而达到改善微波处理均匀性的目的。

Description

一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法。

背景技术

微波处理如微波消菌杀毒、微波杀虫、微波加热、微波干燥等具有高效、快速、节能以及整体处理等众多优点，已被广泛应用于工业、农业、医疗和食品加工等领域。

为了防范微波泄露带来的电磁污染和电磁干扰，微波处理通常在金属腔内进行。由于微波腔内电磁场谐振模式的电磁功率空间分布不均，这经常导致有些物料已经过处理(如过热)，有些物料还欠处理(如未热起来),从而大大限制了微波处理在更多领域的推广和应用。如何有效地改善微波处理均匀性已成为微波能应用推广的重要课题。

从微波腔体的角度改善微波处理均匀性主要有两种方法。一种是在微波腔内设置旋转载物托盘。该方法是现今提高微波处理均匀性最简单而有效的方法之一，但该方案往往因为旋转轴固定而导致转盘中心位置过处理或欠处理。虽然组合式旋转托盘可以丰富被处理物料的空间运动轨迹，改善转盘中心过处理或欠处理问题，但其结构过于复杂。而且，这种旋转载物托盘特别是组合式旋转托盘，非常不便于腔内清洁。另一种是平板式微波腔。该腔的移动部件(即电磁搅拌器)被陶瓷板隔离，腔内无移动部件，从而解决了旋转托盘导致的腔内清洁不便等问题。在这种平板腔中，被加热物料静置腔内，其加热均匀性主要依赖于电磁搅拌器对腔内模式的搅动。但现今市面上大部分平板式微波腔的均匀性不如旋转托盘式微波腔，平板式微波腔的均匀性尚有很大的提升空间。

此外，从微波源的角度也可以改善微波处理均匀性。同一腔体中不同频率电磁波模式的空间功率分布不同，合理地利用宽带微波源或多个不同工作频率的微波源来激励微波腔，也可以有效地改善微波处理均匀性。但采用宽带微波源(本身就非常昂贵)或多个不同频率的微波源，无疑大大增加了微波处理设备的成本。

究其原因，传统微波处理装置微波处理的不均匀性主要源于微波腔工作模式的电磁场平均功率密度空间分布不均。因此，设计一种能有效改善微波腔内电磁场平均功率密度空间分布、提高腔内电磁场均匀性的方法，对于提高微波处理均匀性，提升家用微波炉品质，进而拓展微波处理(如微波消菌、微波杀虫等)在其他对均匀性敏感领域的应用具有重要价值。

发明内容

为了解决目前传统微波处理装置内微波处理不均匀的技术问题，本发明提供一种能有效改善微波腔内电磁场平均功率密度空间分布、提高腔内电磁场均匀性的方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取至少两种电磁超材料，所述的不同种类的电磁超材料在受到相同电磁波入射后，产生的出射波之间存在位相差；

步骤2，将步骤1中的各种不同电磁超材料进行拼接，得到能够调制入射波的空间相位分布、降低入射电磁波的空间相干性的组合电磁超材料；

步骤3，将组合电磁超材料置于微波腔内并使组合电磁超材料移动，同时记录微波腔内电磁功率密度分布的变化规律，选出电磁功率密度空间分布互补性好的组合电磁超材料的位置点；

步骤4，根据所选取位置点对应的腔内电磁功率密度强弱分布，设计组合电磁超材料的运动速度和停留时间：驱动组合电磁超材料快速移动至选定的位置点，同时延长组合电磁超材料在电磁功率密度低的位置的停留时间，缩短组合电磁超材料在电磁功率密度高的位置的停留时间，从而提高腔内平均电磁功率空间分布均匀性，进而改善微波处理均匀性。

所述的方法，所述的步骤1中，不同种类的电磁超材料，是通过改变材料或者改变结构得到的。

所述的方法，所述的步骤1中，不同种类的电磁超材料，是将同一种各向异性电磁超材料，分别绕主轴旋转后得到的。

所述的方法，所述的步骤1中，不同种类的电磁超材料的出射波与入射波的位相差

分别为0、π/(n-1)、2π/(n-1)、…、(n-2)π/(n-1)和π，其中n为电磁超材料的种类数量，且n不小于2。

所述的方法，所述的步骤2中，将不同电磁超材料进行拼接时，是采用随机组合，或者将不同电磁超材料取相同分块大小的形式进行拼接。

所述的方法，所述的步骤2中，将不同电磁超材料进行拼接时，所拼接的电磁超材料的种类为m，且m≤n。

所述的方法，所述的步骤3中，电磁功率密度空间分布互补性好是指组合电磁超材料在移动到不同位置时，微波腔内的电磁功率密度会相较于没有组合电磁超材料时的电磁功率密度发生大小变化，且大小变化的幅值趋于相同。

所述的方法，在执行完步骤4后，如果微波处理均匀性改善效果未满足要求，则返回第3步并改变电磁超材料的运动方式，或返回第2步增加m并重新拼接组合电磁超材料，或返回第1步增加电磁超材料的种类，直至获得需要的微波处理均匀性。

所述的方法，在执行步骤4时，还包括让组合电磁超材料绕中心轴自转，从而利用电磁超材料的运动来增加对电磁场空间位相和偏振的时间调制的步骤。

所述的方法，在执行步骤4时，还包括将组合电磁超材料紧贴微波腔壁设置的步骤，即将组合电磁超材料紧贴微波腔壁设置，再驱动组合电磁超材料移动。

本发明的技术效果在于，将不同电磁超材料单元随机组合或分区块组合构造出具有空间相位和偏振调制能力的电磁超材料，通过设计电磁超材料局部或整体的运动方式增加电磁超材料对腔内电磁场相位和偏振的时间调制，从而使得腔内平均电磁功率空间分布均匀性得到明显提高、被处理物料各部分吸收的平均微波功率大致相等，进而达到改善微波处理均匀性的目的。本发明的电磁超材料可用介质板与被处理物料隔离，被处理物料静置于载物板，便于清洁。既有利于提升家用微波炉的品质，又有望促进微波处理在工业其他领域的应用。

附图说明

图1是本发明实施例中一种各向异性电磁超材料的单元结构1示意图；

图2是本发明实施例中一种各向异性电磁超材料的单元结构2示意图；

图3是本发明实施例中一种由各向异性单元结构1和单元结构2通过旋转主轴构成的四区块电磁超材料俯视图；

图4是本发明实施例中，一种使用电磁超材料改善微波处理均匀性的装置的三维结构示意图；电磁超材料3由电动机驱动旋转，转速为20圈每分钟；

图5是本发明实施例中，电磁超材料3旋转到四个不同角度时载物板上的等效电磁功率密度分布；

图6是根据GB/T18800-2017家用微波炉性能试验方法，试验五杯水经图4所示微波处理装置加热后的温升分布曲线及均匀性；

图7是根据GB/T18800-2017家用微波炉性能试验方法，将图4所示微波处理装置中的电磁超材料3去除后，五杯水的温升分布曲线及均匀性。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不需要作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的组合电磁超材料是一种针对特定工作频率人为设计的结构复合材料，具有丰富地调控电磁波振幅、位相和偏振等特性的能力。

本实施例所提供的一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法，包括以下步骤：

步骤1，根据微波处理的工作频率，通过材料或结构的改变，设计得到n种不同的电磁超材料，最终目的是使同一入射电磁波经过电磁超材料后，出射波与入射波的位相差

分别为0、π/(n-1)、2π/(n-1)、…、(n-2)π/(n-1)和π；其中n不小于2。

步骤2，从步骤1得到的n个不同的电磁超材料中，选取m(m≤n)个随机地拼接成组合电磁超材料，或先分区块组合，再由区块拼接成组合电磁超材料(m越大，电磁超结构越复杂、加工难度越大)，使得其能调制入射波的空间相位分布、降低入射电磁波的空间相干性。

步骤3，将步骤2得到的组合电磁超材料置于微波腔内，整体(或局部)运动，仿真或实验记录微波腔内电磁功率密度分布随组合电磁超材料(运动部分)位置的变化规律，选出电磁功率密度空间分布互补性好的电磁超材料的位置点。这里的电磁功率密度空间分布互补性好，是指组合电磁超材料在移动到不同位置时，微波腔内的电磁功率密度会相较于没有组合电磁超材料时的电磁功率密度发生大小变化，且大小变化的幅值趋于相同。

步骤4，根据所选取位置点对应的腔内电磁功率密度强弱分布，设计电磁超材料的运动速度和停留时间——电磁超材料快速移动至选定的位置点，同时延长电磁超材料在电磁功率密度低的位置的停留时间，缩短电磁超材料在电磁功率密度高的位置的停留时间，从而使得腔内平均电磁功率空间分布均匀性得到明显提高，进而改善微波处理均匀性。如果微波处理均匀性改善效果仍不能满足要求，可以返回第3步改变电磁超材料的运动方式如整体(或局部)平移、或旋转、其他运动方式，或返回第2步增加m、构建能更好地降低入射电磁波空间相干性的电磁超材料，或返回第1步增加n，直至获得满意的微波处理均匀性。

其中各向异性电磁超材料单元对两个偏振正交的入射电磁波具有不同的

(出射波与入射波的位相差)。那么通过旋转各向异性电磁超材料单元的主轴组合而成的电磁超材料可以增加对电磁波偏振的空间调制，利用电磁超材料的运动增加对电磁场空间位相和偏振的时间调制，进一步降低入射电磁波的时空相干性、提高微波处理均匀性。

进一步的，组合电磁超材料可紧贴于微波腔壁，一方面利用电磁超材料降低腔内电磁场的时空相干性，使得腔内其他高阶电磁波模式更多、更有效地被激励，另一方面通过电磁超材料的整体或局部的运动改变谐振腔的物理边界，进一步动态地改变微波腔内电磁场的空间分布，两方面协同，更有效地改善微波处理均匀性。

下面结合具体实施例来对本发明作进一步说明：

步骤1，以常见微波处理频率2.45GHz为工作频率。取n＝2，利用电磁波仿真软件设计得到2个不同的各向异性电磁超材料结构分别如图1和图2所示。大小为a×h、厚度为1mm的铜鳍片垂直焊接在大小为a×a、厚度为1mm的铜基片中心。当a＝10mm，h＝31mm时，x方向偏振、垂直入射的平面电磁波经图1所示电磁超材料反射后

经图2所示电磁超材料反射后

图1和图2所示电磁超材料具有显著的各向异性，不同偏振方向的入射波的

差异很大。对于y方向偏振、垂直入射的平面电磁波，经图1所示电磁超材料反射后

而经图2所示电磁超材料反射后

步骤2，考虑到上述电磁超材料的各向异性，将上述两种电磁超材料，分区块组合成组合电磁超材料3，如图3所示。将一个半径为90mm的圆盘分成四等分，其中区块①和区块③分别由图2和图1所示电磁超材料在xoy平面周期性排列填充。将填充在区块①和区块③的电磁超材料绕z轴旋转45°后，分别填充在区块②和区块④。这样，x方向偏振、垂直入射的平面电磁波经区块②和区块④后均被转换成y方向偏振的平面波，且二者相位差为π。将这样的四个区块①、②、③和④拼在一起构成组合电磁超材料3。为防止两相邻区块金属片在高功率微波激励下因为太近而打火，相邻两区块间留有d＝5mm的间隙。

步骤3，将步骤2得到的组合电磁超材料3应用到微波处理装置如图4所示。微波处理装置由不锈钢微波腔1、波导管2、电磁超材料3，微波源4和载物板5构成。不锈钢微波腔1的长、宽和高分别为l＝400mm、p＝340mm和q＝200mm，在微波腔长宽分别为p＝340mm和q＝200mm的侧面的中心开有矩形孔，矩形孔的长和宽为wp＝86.4mm和wq＝43.2mm。微波源4产生频率为2.45GHz、功率为700瓦的微波从BJ26型矩形波导管2馈入微波腔。组合电磁超材料3安装在波导馈入口对面腔壁的中心位置，可绕组合电磁超材料中心轴旋转。用放置于载物板上的薄纸板温度分布等效腔内微波功率密度强弱分布，测量组合电磁超材料3旋转到四个不同角度时的强度分布如图5所示。

步骤4，从图5所示组合电磁超材料3的四个位置点对应的电磁功率密度强弱分布可以看到，随着组合电磁超材料3旋转到不同的角度，腔内电磁场分布确实发生了明显的变化且空间互补性较好。为简单起见，本实施例采用步进电机驱动组合电磁超材料3以20圈/分钟匀速旋转。为检验组合电磁超材料对微波处理均匀性的改善效果，采用GB/T18800-2017家用微波炉性能试验方法，测试该微波处理装置的加热均匀性为55.8％。五杯水的温升如图6所示，平均温升为29.9度。作为对比，取下该电磁超材料，重复上述实验测量得到的加热均匀性仅为26.7％，五杯水的温升如图4所示，平均温升为28.3度。可见，组合电磁超材料3可以有效地降低微波腔内电磁场的时空相干性，提高腔内电磁平均功率密度分布的均匀性，进而改善微波加热均匀性。与此同时，加热效率也有所提升。

故上述实验能够证明，本实施例通过组合电磁超材料对电磁波相位和偏振的调制降低腔内电磁场的时空相干性，从而更有效地激励腔内更多的工作模式。通过设计电磁超材料的运动方式，使得电磁功率密度空间互补性好的工作模式交替工作，从而大大提高腔内平均电磁功率密度的空间均匀性，使得被处理物料各部分吸收的平均微波功率大致相等，从而达到改善微波处理均匀性的目的。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用电磁超材料改善微波处理均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选取至少两种电磁超材料，不同种类的电磁超材料在受到相同电磁波入射后，产生的出射波之间存在位相差；

步骤2，将步骤1中的各种不同电磁超材料进行拼接，得到能够调制入射波的空间相位分布、降低入射电磁波的空间相干性的组合电磁超材料；

步骤3，将组合电磁超材料置于微波腔内并使组合电磁超材料移动，同时记录微波腔内电磁功率密度分布的变化规律，选出电磁功率密度空间分布互补性好的组合电磁超材料的位置点；

步骤4，根据所选取位置点对应的腔内电磁功率密度强弱分布，设计组合电磁超材料的运动速度和停留时间：驱动组合电磁超材料快速移动至选定的位置点，同时延长组合电磁超材料在电磁功率密度低的位置的停留时间，缩短组合电磁超材料在电磁功率密度高的位置的停留时间，从而提高腔内平均电磁功率空间分布均匀性，进而改善微波处理均匀性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，不同种类的电磁超材料，是通过改变材料或者改变结构得到的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，不同种类的电磁超材料，是将同一种各向异性电磁超材料，分别绕主轴旋转后得到的。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，不同种类的电磁超材料的出射波与入射波的位相差

分别为0、π/(n-1)、2π/(n-1)、…、(n-2)π/(n-1)和π，其中n为电磁超材料的种类数量，且n不小于2。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，将不同电磁超材料进行拼接时，是采用随机组合，或者将不同电磁超材料取相同分块大小的形式进行拼接。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，将不同电磁超材料进行拼接时，所拼接的电磁超材料的种类为m，且m≤n。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，电磁功率密度空间分布互补性好是指组合电磁超材料在移动到不同位置时，微波腔内的电磁功率密度会相较于没有组合电磁超材料时的电磁功率密度发生大小变化，且大小变化的幅值趋于相同。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在执行完步骤4后，如果微波处理均匀性改善效果未满足要求，则返回第3步并改变电磁超材料的运动方式，或返回第2步增加m并重新拼接组合电磁超材料，或返回第1步增加电磁超材料的种类，直至获得需要的微波处理均匀性。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行步骤4时，还包括让组合电磁超材料绕中心轴自转，从而利用电磁超材料的运动来增加对电磁场空间位相和偏振的时间调制的步骤。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行步骤4时，还包括将组合电磁超材料紧贴微波腔壁设置的步骤，即将组合电磁超材料紧贴微波腔壁设置，再驱动组合电磁超材料移动。

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